RU2094628C1

RU2094628C1 - Piston internal combustion engine

Info

Publication number: RU2094628C1
Application number: SU883192804A
Authority: RU
Inventors: Василий Александрович Деревянко; Виталий Михайлович Комир; Виктор Григорьевич Назаренко
Original assignee: Кременчугский филиал Харьковского государственного политехнического университета
Priority date: 1988-02-23
Filing date: 1988-02-23
Publication date: 1997-10-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; engines. SUBSTANCE: engine has one or several working sections each including stator 3 with end face covers, rotor 4 and two cylinders 1 and 2. Pistons 9 and 10 are installed in cylinders 1 and 2 to form working spaces. Pistons 9 and 10 are coupled with crankshaft 13. Each section has combustion chambers 5 and 6 communicating with working spaces. Combustion chambers 5 and 6 are formed by rotor 4 rotating synchronously with crankshaft 13. End face covers have two mirror holes. Rotor 4 is made for forming additional spaces in stator by means of which chambers are separated from each other. One of cylinders is made working, and its capacity is 12.5-4.0-fold greater than that of other cylinder for gasoline engines and 2.0-5.0-fold greater than that of other cylinder for diesel engines. EFFECT: enlarged operating capabilities. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения. The invention relates to the field of engine manufacturing.

Известны двигатели внутреннего сгорания с внешним и внутренним смесеобразованием, состоящие из группы неподвижных деталей, являющихся базой для всех остальных механизмов и систем, в том числе и движущихся, включая поршневую группу. Поршневая группа воспринимает давление газов в цилиндрах, преобразуя его в крутящий момент на коленчатом валу двигателя (1. Двигатели внутреннего сгорания. Изд. 4-е, переработанное и дополненное /Под ред. А. С. Орлина и М. Г. Круглова. М. Машиностроение, 1983; 2. Тракторные дизели. Справочник под общей редакцией Б. А. Взорова. М.Машиностроение, 1981). Known internal combustion engines with external and internal mixture formation, consisting of a group of stationary parts that are the basis for all other mechanisms and systems, including moving ones, including a piston group. The piston group senses the gas pressure in the cylinders, converting it into torque on the crankshaft of the engine (1. Internal Combustion Engines. Ed. 4th, revised and supplemented / Edited by A. S. Orlin and M. G. Kruglov. M Engineering, 1983; 2. Tractor diesels. Handbook edited by B. A. Vzorov. M. Engineering, 1981).

В известных конструкциях двигателей внутреннего сгорания камера сгорания обычно образована внутренней поверхностью головки цилиндра и днищем поршня. В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) используют также различные конструкции разделенных камер сгорания, обеспечивающих более совершенное смесеобразование. In known designs of internal combustion engines, the combustion chamber is usually formed by the inner surface of the cylinder head and the piston crown. In internal combustion engines (ICE) also use various designs of separated combustion chambers, providing a more perfect mixture formation.

Наиболее близким к изобретению является ДВС, содержащий один или несколько рабочих цилиндров (секций) с разделенной камерой сгорания (см. выше ссылки 1 и 2). Closest to the invention is an internal combustion engine containing one or more working cylinders (sections) with a divided combustion chamber (see references 1 and 2 above).

Недостатками указанного двигателя являются:
а) высокое остаточное давление продуктов сгорания к моменту выпуска газов, что приводит к значительным энергетическим потерям и обуславливает необходимость установки глушителя для снижения шума;
б) открытие выпускного клапана до того, как поршень достигнет нижней мертвой точки, что вызывает дополнительные потери энергии;
в) сложная система газораспределения.The disadvantages of this engine are:
a) a high residual pressure of the combustion products at the time of gas release, which leads to significant energy losses and necessitates the installation of a silencer to reduce noise;
b) opening the exhaust valve before the piston reaches bottom dead center, which causes additional energy loss;
c) a complex gas distribution system.

Цель изобретения повышение КПД поршневых ДВС и упрощение конструкции двигателя. The purpose of the invention is to increase the efficiency of piston internal combustion engines and simplify the design of the engine.

Эта цель достигается тем, что:
двигатель снабжен несколькими (например, двумя) камерами сгорания, поворачивающимися в статоре синхронно с вращением коленвала;
камеры сгорания образованы лопатками ротора и чередуются с открытыми с торцов полостями, через которые происходит всасывание воздуха (горючей смеси) и выпуск отработанных газов;
процессы всасывания и сжатия происходят в одном цилиндре, а рабочий ход и выпуск в другом, объем которого превышает объем первого в 2,5 4,0 раза для бензиновых двигателей и в 2, 5,0 раз для дизелей, обеспечивая повышение КПД и снижение уровня шума до санитарных норм без глушителя;
процесс газораспределения осуществляется путем периодического перекрытия лопатками вращающегося ротора каналов, соединяющих цилиндры со статором.This goal is achieved by the fact that:
the engine is equipped with several (for example, two) combustion chambers that rotate in the stator synchronously with the rotation of the crankshaft;
combustion chambers are formed by rotor blades and alternate with open cavities from the ends through which air (a combustible mixture) is sucked in and exhaust gases are released;
the processes of suction and compression occur in one cylinder, and the stroke and release in another, the volume of which exceeds the volume of the first 2.5 4.0 times for gasoline engines and 2.5 times for diesel engines, providing increased efficiency and lower levels noise to sanitary standards without a silencer;
the gas distribution process is carried out by periodically overlapping by the blades of the rotating rotor of the channels connecting the cylinders to the stator.

Рабочая секция двигателя состоит из двух цилиндров разного диаметра и нескольких (например, двух) камер сгорания, перемещающихся в статоре синхронно с вращением коленвала. При этом ось статора может быть, как перпендикулярна (поперечное расположение), так и параллельна (продольное расположение) оси двигателя. The working section of the engine consists of two cylinders of different diameters and several (for example, two) combustion chambers moving in the stator synchronously with the rotation of the crankshaft. In this case, the stator axis can be either perpendicular (transverse arrangement) or parallel (longitudinal arrangement) of the motor axis.

На фиг. 1 изображена рабочая секция ДВС с поперечным расположением статора, продольный разрез; на фиг. 2 продольный разрез статора. In FIG. 1 shows the working section of the internal combustion engine with a transverse stator, a longitudinal section; in FIG. 2 longitudinal section of the stator.

Рабочая секция ДВС содержит цилиндры 1 и 2, статор 3, внутри которого соосно размещен ротор 4. Лопатки ротора образуют камеры сгорания 5 и 6, которые чередуются с полостями 7 и 8. В цилиндрах 1 и 2 размещены поршни 9 и 10, которые с помощью шатунов 11 и 12 соединены с коленвалом 13. Поршни 9 и 10 имеют уплотнительные кольца, обеспечивающие герметичную изоляцию надпоршневого объема. Цилиндры 1 и 2 соединены со статором 3 каналами 14 и 15. The ICE working section contains cylinders 1 and 2, a stator 3, inside of which the rotor 4 is coaxially placed. The rotor blades form combustion chambers 5 and 6, which alternate with cavities 7 and 8. In cylinders 1 and 2, pistons 9 and 10 are placed, which the connecting rods 11 and 12 are connected to the crankshaft 13. The pistons 9 and 10 have o-rings, which provide tight isolation of the over-piston volume. Cylinders 1 and 2 are connected to the stator 3 by channels 14 and 15.

Статор 3 представляет собой цилиндрическую полость, закрытую с торцов крышками 16 и 17. В корпусе статора закреплены одна или несколько (например, две) форсунок 18 и 19 для впрыскивания топлива в камеру сгорания. (В двигателе с внешним смесеобразованием закреплены одна или несколько свечей зажигания для воспламенения горючей смеси). The stator 3 is a cylindrical cavity closed at the ends by covers 16 and 17. In the stator housing, one or more (for example, two) nozzles 18 and 19 are fixed for injecting fuel into the combustion chamber. (In an engine with external mixture formation one or several spark plugs are fixed to ignite the combustible mixture).

Кроме того, в корпусе статора 3 имеются окно 20, через которое подводится сжатый воздух для продувки камер сгорания, и окно 21, соединенное патрубком с выхлопной трубой ( не показаны). Окна 20 и 21 расположены на различных образующих цилиндра статора 3 таким образом, чтобы при вращении ротора 4 его лопатки раньше перекрывали окно 21 и затем окно 20. В крышке 17 статора 3 имеются окна 22 и 23. Окно 22 соединено с воздухозаборником (не показан), а окно 23 с выхлопной трубой. In addition, in the stator housing 3 there is a window 20 through which compressed air is supplied to purge the combustion chambers, and a window 21 connected by a pipe to an exhaust pipe (not shown). Windows 20 and 21 are located on different generators of the cylinder of the stator 3 so that when the rotor 4 rotates, its blades previously overlapped the window 21 and then the window 20. In the cover 17 of the stator 3 there are windows 22 and 23. Window 22 is connected to an air intake (not shown) , and window 23 with an exhaust pipe.

Камеры сгорания 5 и 6 представляют собой сегментный (или секторный) цилиндр закрытый с торцов. Герметичность камер сгорания обеспечивается за счет уплотнительных элементов, размещенных в лопатках ротора 4 и прилегающих к стенкам статора 3 по образующей цилиндра. Кроме того, уплотнительные элементы размещают по периметру торцевой стенки камеры и в торцах лопаток ротора 4. Combustion chambers 5 and 6 are a segment (or sector) cylinder closed at the ends. The tightness of the combustion chambers is ensured by sealing elements located in the blades of the rotor 4 and adjacent to the walls of the stator 3 along the generatrix of the cylinder. In addition, the sealing elements are placed around the perimeter of the end wall of the chamber and at the ends of the blades of the rotor 4.

Полости 7 и 8 представляют собой сегментный (секторный) цилиндр открытый с торцов. Ротор 4 кинематически жестко связан с коленвалом 13 двигателя таким образом, чтобы при повороте коленвала на 180^o ротор поворачивался на 180/К (К количество камер сгорания в статоре).Cavities 7 and 8 are a segment (sector) cylinder open from the ends. The rotor 4 is kinematically rigidly connected to the engine crankshaft 13 so that when the crankshaft is rotated 180 ^{°, the} rotor rotates 180 / K (K is the number of combustion chambers in the stator).

Двигатель работает следующим образом. The engine operates as follows.

В качестве исходного рассмотрим положение, когда поршни 9 и 10 в цилиндрах 1 и 2 находятся в верхней мертвой точке (н.м.т.). В этот момент ротор 4 должен занимать положение, при котором торцы его лопаток закрывают выходы каналов 14 и 15 в статоре 3. При движении поршня вниз в цилиндре 1 создается разрежение. Одновременно с перемещением поршня 9 ротор 4 поворачивается против хода часовой стрелки (на фиг. 1 направление вращения ротора 4 указано стрелкой) и его лопатки открывают канал 14, который соединяется с полостью 7. Через окно 22 в крышке 17, полость 7 и канал 14 воздух поступает в цилиндр 1. Процесс всасывания воздуха (горячей смеси в двигателе с внешним смесеобразованием) в цилиндр 1 продолжается до тех пор пока поршень 9 не достигнет нижней мертвой точки (НМТ). В этот момент концы лопаток ротора 4 вновь перекрывают каналы 14 и 15. С началом движения поршня 9 вверх воздух (горючая смесь) в цилиндре 1 сжимается. Одновременно с этим открывается канал 14, по которому сжатый воздух вытесняется в камеру сгорания 6. Процесс сжатия заканчивается при достижении поршнем 9 ВМТ. Степень сжатия воздуха (горячей смеси) определяется соотношением рабочего объема камеры сгорания 5 (или) и объема цилиндра 1. As a starting point, we consider the position where the pistons 9 and 10 in the cylinders 1 and 2 are at top dead center (bw). At this moment, the rotor 4 should occupy a position in which the ends of its blades close the outputs of the channels 14 and 15 in the stator 3. When the piston moves downward, a vacuum is created in the cylinder 1. Simultaneously with the movement of the piston 9, the rotor 4 rotates counterclockwise (in Fig. 1 the direction of rotation of the rotor 4 is indicated by an arrow) and its blades open the channel 14, which is connected to the cavity 7. Through the window 22 in the cover 17, the cavity 7 and the channel 14 are air enters cylinder 1. The process of suction of air (hot mixture in an engine with external mixture formation) into cylinder 1 continues until piston 9 reaches bottom dead center (BDC). At this moment, the ends of the rotor blades 4 again overlap the channels 14 and 15. With the beginning of the upward movement of the piston 9, the air (combustible mixture) in the cylinder 1 is compressed. At the same time, channel 14 opens, through which compressed air is forced into the combustion chamber 6. The compression process ends when the piston reaches 9 TDC. The degree of compression of air (hot mixture) is determined by the ratio of the working volume of the combustion chamber 5 (or) and the volume of the cylinder 1.

Поршень 10 в цилиндре 2 достигает ВМТ одновременно с поршнем 9. В этот момент лопатки ротора 4 перекрывают каналы 14 и 15, и происходит впрыскивание топлива в камеру сгорания через форсунки 18 и 19 (поджиг горячей смеси с помощью свечей зажигания в двигателе с внешним смесеобразованием)
При дальнейшем повороте ротора 4 открываются каналы 14 и 15. По каналу 15 продукты сгорания устремляются в цилиндр 2 и обеспечивают рабочий ход поршня 10. Одновременно в цилиндре 1 повторяется процесс всасывания аналогично описанному выше.Piston 10 in cylinder 2 reaches TDC simultaneously with piston 9. At this moment, rotor blades 4 block channels 14 and 15, and fuel is injected into the combustion chamber through nozzles 18 and 19 (ignition of the hot mixture using spark plugs in an engine with external mixture formation)
With a further rotation of the rotor 4, the channels 14 and 15 open. On the channel 15, the combustion products rush into the cylinder 2 and provide a working stroke of the piston 10. At the same time, the suction process is repeated in the cylinder 1 as described above.

Рабочий ход в цилиндре 2 продолжается до достижения поршнем 10 НМТ. В этом положении каналы 14 и 15 вновь перекрываются лопатками ротора 4. При движении поршня 10 вверх продукты сгорания через открывающийся канал 15 вытесняются из цилиндра 2 в полость 8, а из нее через окно 23 попадают в выхлопную трубу. Одновременно в цилиндре 1 повторяется процесс сжатия аналогично описанному ранее. The stroke in the cylinder 2 continues until the piston reaches 10 BDC. In this position, the channels 14 and 15 are again blocked by the blades of the rotor 4. When the piston 10 moves upward, the combustion products through the opening channel 15 are displaced from the cylinder 2 into the cavity 8, and from it through the window 23 enter the exhaust pipe. At the same time, the compression process in cylinder 1 is repeated as described previously.

Для максимального использования энергии продуктов сгорания и повышения КПД двигателя соотношение рабочих объемов цилиндров 1 и 2 должно быть таким, чтобы к концу рабочего хода поршня 10 в НМТ давление в цилиндре 2 снижалось за счет расширения до атмосферного. Такое соотношение объемов цилиндров 1 и 2 является оптимальным и может быть определено из условия
P₁V $\binom{n}{1}$ =P₂V $\binom{n}{2}$ ,
откуда

,
где V₁ и V₂ рабочие объемы цилиндров 1 и 2;
P₁ давление продуктов сгорания при расширении их до объема V₁;
P₂ давление при расширении продуктов сгорания до объема V₂;
n показатель политропы расширения.To maximize the use of energy of combustion products and increase engine efficiency, the ratio of the working volumes of the cylinders 1 and 2 should be such that by the end of the stroke of the piston 10 in the BDC, the pressure in the cylinder 2 decreases due to expansion to atmospheric. This ratio of cylinder volumes 1 and 2 is optimal and can be determined from the condition
P ₁ V

\binom{n}{one}

= P ₂ V

\binom{n}{2}

,
where from

,
where V ₁ and V _{2 the} working volumes of the cylinders 1 and 2;
P _{1 the} pressure of the combustion products when expanding them to a volume of V ₁ ;
P ₂ pressure during the expansion of the combustion products to a volume of V ₂ ;
n indicator of polytropic expansion.

Для бензиновых двигателей:
n 1,22 1,28 P₁ 0,35 0,6 НПа
Для дизелей:
n 1,15 1,3 P₂ 0,25 0,6 НПа
(Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей /Под ред. А. С. Орлина, Н. Г. Круглова. М.Машиностроение, 1983, с. 157, табл.9).For gasoline engines:
n 1.22 1.28 P ₁ 0.35 0.6 NPa
For diesel engines:
n 1.15 1.3 P ₂ 0.25 0.6 NPa
(Internal combustion engines. Theory of piston and combined engines / Under the editorship of A. S. Orlin, N. G. Kruglov. M. Engineering, 1983, p. 157, table 9).

При P₂ 0,1 НПа (атмосферное давление) пределы изменения V₂/V₁ в зависимости от показателя политропы и давления P₁ составляют
а) для бензиновых двигателей:
V₂/V₁ 2,5 4,0
б) для дизелей:
V₂/V₁ 2,0 5,0.At P ₂ 0.1 NPa (atmospheric pressure), the limits of variation of V ₂ / V ₁ depending on the polytropic index and pressure P ₁ are
a) for gasoline engines:
V ₂ / V ₁ 2.5 4.0
b) for diesel engines:
V ₂ / V ₁ 2.0 5.0.

Соотношение объемов V₁ и V₂ предопределяет требуемое соотношение диаметров цилиндров 1 и 2 при одинаковом рабочем ходе поршней 9 и 10.The ratio of volumes V ₁ and V ₂ determines the required ratio of the diameters of the cylinders 1 and 2 with the same stroke of the pistons 9 and 10.

Продувка камер сгорания 5 и 6, а также полостей 7 и 8 осуществляется сжатым воздухом, поступающим через окно 20. Остаточные газы удаляются через окно 21 при прохождении окон 20 и 21 соответствующей камерой сгорания или полостью. The combustion chambers 5 and 6, as well as the cavities 7 and 8, are purged with compressed air entering through the window 20. Residual gases are removed through the window 21 when the windows 20 and 21 pass through the corresponding combustion chamber or cavity.

Двигатель внутреннего сгорания компонуется из одной или нескольких рабочих секций, передающих крутящий момент на один коленвал. Для повышения плавности хода двигателя циклы в каждой секции смещены друг относительно друга на угол

(m число скомпонованных в двигателе рабочих секций).An internal combustion engine is composed of one or more working sections transmitting torque to one crankshaft. To increase engine smoothness, the cycles in each section are offset from each other by an angle

(m is the number of working sections arranged in the engine).

Таким образом, установка на двигателе нескольких (например, двух) камер сгорания, разделенных между собой открытыми с торцов полостями и поворачивающихся в статоре синхронно с вращением коленвала, является существенным отличием от известных прототипов и позволяет:
выполнять сжатие воздуха (горючей смеси) в цилиндре 1, а рабочий ход в цилиндре 2, объем которого превышает объем первого в 2,5 4,0 раза для бензиновых двигателей и 2,0 5,0 раза для дизелей, чем достигается цель -повышение КПД ДВС и упрощение его конструкции, поскольку уровень шума снижается до санитарных норм без глушителя;
возможность отказаться от сложной системы газораспределения и осуществлять процесс газораспределения путем перекрытия лопатками вращающегося ротора 4 каналов 14 и 15, соединяющих цилиндры 1 и 2 со статором 3, чем достигается цель, а именно упрощение конструкции двигателя.Thus, the installation on the engine of several (for example, two) combustion chambers, separated by open cavities from the ends and rotating in the stator synchronously with the rotation of the crankshaft, is a significant difference from the known prototypes and allows:
to compress the air (combustible mixture) in cylinder 1, and the working stroke in cylinder 2, the volume of which exceeds the first volume by 2.5 4.0 times for gasoline engines and 2.0 5.0 times for diesels, thereby achieving the goal of increasing The efficiency of the internal combustion engine and the simplification of its design, since the noise level is reduced to sanitary standards without a silencer;
the ability to abandon a complex gas distribution system and carry out the gas distribution process by blocking the rotor rotor 4 of the channels 14 and 15 connecting the cylinders 1 and 2 with the stator 3, thereby achieving the goal, namely, simplifying the design of the engine.

Claims

1. A piston internal combustion engine containing one or more working sections, each of which has a stator with end caps and a rotor, two cylinders with pistons connected to the crankshaft installed in them to form working cavities, and one or more communicated with working cavities combustion chambers formed by a rotor rotating synchronously with the crankshaft, characterized in that, in order to simplify the design and increase efficiency, the end caps are made with two mirror openings, and the rotor with the possibility of the formation in the stator of additional cavities communicated by means of the latter with the environment and separating the working chambers from one another.

2. The engine according to claim 1, characterized in that one of the cylinders is made working and has a volume exceeding the volume of the second cylinder by 2.5 4.0 times for gasoline engines and 2.5 times for diesel engines.